材料制备与设计.doc

《材料制备与设计.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、4.材料的制备、成形与设计4.1材料制备概述4.1.1材料合成与加工的内涵材料合成——通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上不同于原材料的新材料。材料加工——通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于与原材料不同的状态（化学上完全相同）4.1.2材料合成与加工的意义影响材料的发展例子：大规模集成电路工艺－计算机技术；精密铸造、定向凝固和单晶技术－航空航天技术；分子束外延、液相外延和化学气相沉积－超晶格影响新技术的应用例子：太阳能的利用—光电转换材料的合成加工没有突破；超导技术的应用——超导材料的合成加工是瓶颈影响材料的性能同样成分的材料因合成与加工的途径不同而呈现完全

2、不同的性能4.2基于液固转变的材料制备与成形4.2.1分类1)从熔体出发，通过降温固化得到固体材料多晶材料－砂型铸造和特种铸造；单晶材料－直拉法、定向凝固法、区熔法、液相外延法等；非晶材料－雾化法、急冷液体溅射、表面熔化和自淬火法。2)从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经固化得到固相材料溶液变温法制备单晶；水液法制备水晶（SiO2）、磷酸铝（AlPO4）等；高温熔液生长；化学共沉淀法；溶胶－凝胶法4.2.2砂型铸造型砂－砂型造型－浇注系统设计－浇注－清砂－性能检测例子：天坛大佛4.2.3特种铸造压力铸造、挤压铸造、离心铸造、熔模铸造、低压铸造、连续铸造、其他例子：压

3、铸4.2.4单晶材料的制备直拉法、定向凝固法（坩埚下降法）、区熔法、液相外延法等例子：单晶硅、单晶涡轮叶片4.2.5非晶材料的制备雾化法、急冷液体溅射、表面熔化、自淬火法4.3基于固－固转变的材料制备与成形4.3.1粉末冶金定义:以粉末为原料，通过成形、烧结和必要的后续处理制取金属材料和制品。特点：1)从工艺上看，以粉末为原料，采用压制、锻造、挤压、注射等方式制备初坯，存在烧结工序；2)制备难熔金属、假金属（铜—钨、铜—石墨）的有效方法；3)模具设计很关键；4)少、无切削；5)高精度；6)适合大批量生产最新发展：1)发展新工艺——制粉（超微粉）、成形（温压、注塑成形、喷射沉积）、烧结（高

4、效烧结、激光烧结）；2)开发新材料——纳米、准晶4.3.2塑性加工类型：轧制挤压锻造冲裁拉拔特点：利用金属的塑性变形能力；产品质量高，性能好，缺陷少，是改善材料性能的重要途径（相对铸件）；模具、设备费用高；加工精度和成形极限有限，主要是生产半成品；材料利用率高（相对铸件）；产品大小、长度、重量变化范围大（适应面广）4.3.2塑性加工发展趋势：开发新工艺——超塑成形技术、柔性成形技术、增量成形技术、净成形技术（netshapeforming）、近净成形技术（nearnetshapeforming）、复合成形技术等；研究开发使环境净化的塑性加工技术，实现低噪音、小震动和无震动，节省能源、节省

5、资源和资源再利用的塑性加工技术；研究开发塑性加工过程的计算机模拟技术和模具CAD/CAM技术；产品日趋精密化、高效化、大型化、微型化4.3.3热处理特点：以材料中的固态相变为理论基础；以温度、时间、介质为重要参数；不改变材料的形状；决定材料的最终服役性能发展动向：开发新工艺——激光表面合金化、可控气氛热处理；开发热处理专家系统及性能预测4.3.4固相外延——借助固相反应在单晶衬底上进行外延的方法分两类：1)硅单晶表面离子注入后，表面非晶层通过有序化和再结晶而外延2)需要金属或化合物层作为运输媒介，如Ga、As通过Ag层输送到GaAs衬底上外延生长。4.3.4高压制备——在合适的条件下，高

6、温、高压使材料转变到高密度、高原子配位数的结构。例子：石墨－金刚石（配位数3-4,密度2.25-3.52）4.4基于气－固转变的材料制备与成形4.4.1物理气相沉积真空蒸发镀膜阶段：加热使原料蒸发或升华；气相原子（或分子）穿过真空空间到达衬底表面；在衬底表面上原子（或分子）重新排列（或键合）凝结成膜。4.4.1物理气相沉积溅射的基本过程是用电场加速从阴极发出的电子，当电子获得足够的动能时，就可以使工作气氛气体原子电离成等离子体。等离子体中的正离子在电场作用下轰击阴极的块状固体靶材，靶材表面溅出离子、原子和原子团，这些物质沉积到衬底表面形成薄膜。激光脉冲沉积——激光烧蚀瞬间发生，薄膜成分与

7、靶材成分保持一致，特别适合制备复杂的多组元材料4.4.1物理气相沉积分子束外延（MBE）是一种主要用于半导体薄膜、超薄膜、多层量子结构、超晶格的方法。分子束外延是利用分子束或原子束在超高真空系统中进行外延生长。超真空是为了保证分子（原子）束有较大的平均自由程，从而按设计的路线射到衬底表面。分子束外延可以使生长速度调节得很慢，使得外延层厚度得到精确控制，表面可以达到原子级光洁度。分子束外延可在很大范围内控制薄膜的组分和掺杂浓度。例子：